動(dòng)力電池開啟“頭部爭(zhēng)雄” 江蘇產(chǎn)能國(guó)內(nèi)領(lǐng)先
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-19 09:02
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2018年中國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局 1834年，世界上第一輛機(jī)動(dòng)車誕生，它就是電動(dòng)車，也就是新能源汽車，被稱為“不用馬拉的車”。
百年沉淀，新能源汽車產(chǎn)業(yè)變革史同樣也是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)史。自2008年鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)車的十年間，動(dòng)力電池產(chǎn)品與技術(shù)的不斷革新，成為推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的最大引擎。
目前我國(guó)是世界上新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速的國(guó)家之一，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球領(lǐng)先。去年，我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池總裝機(jī)量為56.89GWh，同比增長(zhǎng)56.88%，是日本的2.4倍、韓國(guó)的3.6倍，產(chǎn)銷占據(jù)全球“半壁江山”。
中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車技術(shù)情報(bào)研究所所長(zhǎng)程魁玉指出，目前，動(dòng)力電池行業(yè)已進(jìn)入“淘汰賽”階段，頭部效應(yīng)明顯。
統(tǒng)計(jì)顯示：國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)從2016年頂峰的150家降低至2018年12月的70家。前十企業(yè)市場(chǎng)份額由2017年的73.4%上升至2018年12月的83%。
2018年，動(dòng)力電池“雙雄”寧德時(shí)代和比亞迪，兩家企業(yè)市場(chǎng)占有率就達(dá)到61%，相比2017年同期提升17個(gè)百分點(diǎn)，行業(yè)龍頭地位凸顯。
與國(guó)際巨頭松下、LG、三星SDI進(jìn)行對(duì)比，國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)在核心技術(shù)、研發(fā)實(shí)力、制造工藝、客戶資源和供應(yīng)體系等方面差距不斷縮小，部分領(lǐng)域已超越日韓龍頭。
近年來(lái)，江蘇動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)異軍突起，已集聚了江蘇時(shí)代（CATL）、中航鋰電（江蘇）、樂(lè)金化學(xué)（LG）、蘇州力神、力信（江蘇）能源、國(guó)泰華榮等一批行業(yè)優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)企業(yè)，初步形成較為完整的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)集群。
從產(chǎn)業(yè)規(guī)?？?，江蘇省動(dòng)力電池已建和未來(lái)規(guī)劃總產(chǎn)能約188GWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)其他省份，動(dòng)力電池產(chǎn)能建成完全釋放后將配套近400萬(wàn)輛新能源汽車。
我省動(dòng)力電池行業(yè)已經(jīng)駛?cè)?ldquo;快車道”——2月下旬，無(wú)錫先導(dǎo)公司與歐洲知名電池廠商簽訂鋰合作協(xié)議，標(biāo)志著江蘇作為全國(guó)動(dòng)力電池生產(chǎn)大省，首次將自主研發(fā)制造的高端鋰電池裝備出口到歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，打破此前在該領(lǐng)域 “零”的紀(jì)錄。
居安思危，省內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)還面臨著規(guī)劃產(chǎn)能過(guò)剩實(shí)際產(chǎn)能不足、研發(fā)與制造不匹配、產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)低、專業(yè)人才匱乏等各種“短板”尤待補(bǔ)足。
風(fēng)正帆懸起新航。江蘇提出新目標(biāo)：到2020年，全省動(dòng)力電池有效產(chǎn)能達(dá)50GWh，產(chǎn)量突破30GWh，產(chǎn)值突破400億元，并帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)值突破1000億元，力爭(zhēng)成為全球知名的動(dòng)力電池研發(fā)和制造中心。
隨著中國(guó)市場(chǎng)不斷開放，日韓企業(yè)將加速進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，考驗(yàn)著國(guó)內(nèi)企業(yè)尤其是龍頭企業(yè)的應(yīng)對(duì)能力。
隨著能量密度要求的不斷提高，各個(gè)生產(chǎn)商都在著力提高自家產(chǎn)品的參數(shù)，主要的沿著兩條半路線在努力：一個(gè)是加緊研發(fā)高比能量的正極材料，另外一個(gè)是提高電池單體容量，減小殼體等輔助結(jié)構(gòu)在單體中所占比重。另外半條，是考慮轉(zhuǎn)型軟包電池，這從目前主流電池廠積極承接國(guó)家軟包電池方向科研項(xiàng)目可以窺見一斑。軟包電池是不是最合適的動(dòng)力電池技術(shù)路線？今天整理一些軟包電池方面內(nèi)容，一起預(yù)測(cè)一下動(dòng)力電池未來(lái)技術(shù)路線。
軟包電池基本結(jié)構(gòu)
圖片來(lái)自汽車工程師之家
軟包電池的基本結(jié)構(gòu)與圓柱和方形是類似的，都是正極、負(fù)極、隔膜、絕緣材料、正負(fù)極極耳和殼體，只是軟包電池的課題是鋁塑膜。
鋁塑膜結(jié)構(gòu)如上圖所示：最外層是尼龍層，中間是鋁箔，內(nèi)層為熱封層，每層之間以粘結(jié)劑粘合。
鋁塑膜被要求具備如下特點(diǎn)：具備極高的阻隔性；具有良好的熱封性能；材料耐電解液及強(qiáng)酸腐蝕；具有良好的延展性、柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。
軟包電池優(yōu)點(diǎn)
軟包電池，鋁塑膜變形空間較大，不像鋼殼鋁殼電芯那樣熱失控時(shí)候會(huì)發(fā)生爆炸；殼體是一層鋁塑膜，重量輕，非活性部分所占比重小，軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%；相同尺寸規(guī)格相比，容量更大，軟包電池較同等規(guī)格尺寸的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%；殼體強(qiáng)度低，循環(huán)過(guò)程中對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力小，對(duì)循環(huán)壽命有益（當(dāng)然是在成組設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有施加額外的應(yīng)力的情況下）；極耳位置充裕，充放電過(guò)程中，熱量分布均勻。
軟包電池的缺點(diǎn)
殼體強(qiáng)度低，對(duì)成組技術(shù)依賴性強(qiáng)；與卷繞生產(chǎn)方式相比，疊片的生產(chǎn)效率相對(duì)較低；
軟包電池的一般生產(chǎn)流程
由于外殼是鋁塑膜，其生產(chǎn)工藝在一些方面與其它兩類商用電池不同。比如鋁塑膜的封裝工藝，比如化成過(guò)程中的整形工藝等。
軟包電池封裝工序
鋁塑膜成型工序，軟包電芯可以根據(jù)客戶的需求設(shè)計(jì)成不同的尺寸，當(dāng)外形尺寸設(shè)計(jì)好后，就需要開具相應(yīng)的模具，使鋁塑膜成型。成型工序也叫作沖坑，顧名思義，就是用成型模具在加熱的情況下，在鋁塑膜上沖出一個(gè)能夠裝卷芯的坑，具體的見下圖。
鋁塑膜沖好并裁剪成型后，一般稱為Pocket袋，見下圖所示。一般在電芯較薄的時(shí)候選擇沖單坑（下圖左），在電芯較厚的時(shí)候選擇沖雙坑（下圖右），因?yàn)橐贿叺淖冃瘟刻髸?huì)突破鋁塑膜的變形極限而導(dǎo)致破裂。
有時(shí)候根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，會(huì)在氣袋的位置再?zèng)_一個(gè)小坑，以擴(kuò)大氣袋的體積。
頂側(cè)封工序，頂側(cè)封工序是軟包鋰離子電芯的第一道封裝工序。頂側(cè)封實(shí)際包含了兩個(gè)工序，頂封與側(cè)封。首先要把卷繞好的卷芯放到?jīng)_好的坑里，然后沿虛線位置將包裝膜對(duì)折，如下圖所示。
下面這種圖是鋁塑膜裝入卷芯后，需要封裝的幾個(gè)位置，包括頂封區(qū)、側(cè)封區(qū)、一封區(qū)與二封區(qū)。下面分別進(jìn)行介紹。
把卷芯放到坑中之后，就把整個(gè)鋁塑膜可以放到夾具中，在頂側(cè)封機(jī)里進(jìn)行頂封與側(cè)封了。頂側(cè)封機(jī)是這樣子的：
圖中這種型號(hào)的頂側(cè)封機(jī)帶四個(gè)夾具，左邊那個(gè)工位是頂封，右邊那個(gè)工位是側(cè)封。那兩塊黃色的金屬是上封頭，下面還有一個(gè)下封頭，封裝的時(shí)候兩個(gè)封頭帶有一定的溫度（一般在180℃左右），合攏時(shí)壓在鋁塑膜上，鋁塑膜的PP層就熔化然后黏結(jié)在一起了，這樣就封裝OK了。
還是主要來(lái)說(shuō)說(shuō)頂封，頂封區(qū)域的示意圖如下圖所示。頂封是要封住極耳的，極耳是金屬（正極鋁，負(fù)極鎳），怎么跟PP封裝到一起呢？這就要靠極耳上的一個(gè)小部件—極耳膠來(lái)完成了。極耳膠具體的結(jié)構(gòu)我不是很清楚，希望有懂行的人來(lái)補(bǔ)充。我只知道它也有PP的成本，也就是說(shuō)在加熱時(shí)能夠熔化黏結(jié)。在極耳位的封裝見下圖中圓圈部分所示。封裝時(shí)，極耳膠中的PP與鋁塑膜的PP層熔化黏結(jié)，形成了有效的封裝結(jié)構(gòu)。
注液、預(yù)封工序，軟包電芯在頂側(cè)封之后，需要做X-ray檢查其卷芯的平行度，然后就進(jìn)干燥房除水氣去了。在干燥房靜置若干時(shí)間時(shí)候，就進(jìn)入了注液與預(yù)封工序。
通過(guò)上面的介紹我們知道，電芯在頂側(cè)封完成之后，就只剩下氣袋那邊的一個(gè)開口，這個(gè)開口就是用來(lái)注液的。在注液完成之后，需要馬上進(jìn)行氣袋邊的預(yù)封，也叫作一封。一封封裝完成后，電芯從理論上來(lái)說(shuō)，內(nèi)部就是完全與外部環(huán)境隔絕了。一封的封裝原理與頂側(cè)封相同，這里就不贅述了。
靜置、化成、夾具整形工序，在注液與一封完成后，首先需要將電芯進(jìn)行靜置，根據(jù)工藝的不同會(huì)分為高溫靜置與常溫靜置，靜置的目的是讓注入的電解液充分浸潤(rùn)極片。然后電芯就可以拿去做化成了。
上圖是軟包電芯的化成柜，其實(shí)就是一個(gè)充放電的裝置，我找了好久沒(méi)有找到帶電芯的圖片，大家想想一下電芯夾在上面的畫面就OK了?；删褪菍?duì)電芯的首次充電，但不會(huì)充到使用的最高電壓，充電的電流也非常小。
化成的目的是讓電極表面形成穩(wěn)定的SEI膜，也就是相當(dāng)于一個(gè)把電芯“激活”的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的氣體，這也就是為什么鋁塑膜要預(yù)留一個(gè)氣袋。有些工廠的工藝會(huì)使用夾具化成，即把電芯夾在夾具里（有時(shí)候圖簡(jiǎn)便就用玻璃板，然后上鋼夾子）再上柜化成，這樣產(chǎn)生的氣體會(huì)被充分地?cái)D到旁邊的氣袋中去，同時(shí)化成后的電極界面也更佳。
在化成后有些電芯，尤其是厚電芯，由于內(nèi)部應(yīng)力較大，可能會(huì)產(chǎn)生一定的變形。所以某些工廠會(huì)在化成后設(shè)置一個(gè)夾具整形的工序，也叫作夾具烘烤。
二封工序，剛才說(shuō)了化成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體，所以我們要將氣體抽出然后再進(jìn)行第二次封裝。在這里有些公司成為兩個(gè)工序：排氣與二封，還有后面一個(gè)剪氣袋的工序，這里我就一起籠統(tǒng)的都稱為二封了。
二封時(shí)，首先由鍘刀將氣袋刺破，同時(shí)抽真空，這樣氣袋中的氣體與一小部分電解液就會(huì)被抽出。然后馬上二封封頭在二封區(qū)進(jìn)行封裝，保證電芯的氣密性。最后把封裝完的電芯剪去氣袋，一個(gè)軟包電芯就基本成型了。二封是鋰離子電池的最后一個(gè)封裝工序，其原理還是跟前面的熱封裝一樣，不再贅述。
化成過(guò)程中的加壓工藝
由于軟包裝電池采用鋁塑封裝結(jié)構(gòu)，其外型結(jié)構(gòu)決定了極片不能緊密排列，極片之間容易產(chǎn)生空隙，在電池化成過(guò)程中產(chǎn)生的氣體也容易在極片之間殘留，在之后的封口中氣體不能完全排出，從而影響電池性能，所以考慮采取在化成兩次充電之間采用滾壓工藝將極片之間的氣體排除。
